[发明专利]含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置

说明书

技术领域：

本发明属于试验装置领域，尤其是涉及一种能够在不同地应力、不同瓦斯压力、不同温度等状态下的含瓦斯煤渗流试验进行研究以及含瓦斯煤在渗流过程中的变形破坏特征进行研究的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置。

技术背景：

在矿井生产过程中，采掘工程破坏了原岩应力场的平衡和原始瓦斯压力的平衡，形成了采掘周围岩体的应力重新分布和瓦斯流动。煤层瓦斯(煤层气)渗透率是反映煤层内瓦斯渗流难易程度的物性参数，也是瓦斯渗流力学与工程的重要参数，其与煤层裂隙发育特征、地质构造、地应力状态、瓦斯压力、地温、煤基质的收缩作用、煤层埋深、煤体结构及地电场等密切相关，而煤层渗透率的大小对瓦斯的储存与排放、瓦斯压力的分布起着重要的作用，煤与瓦斯突出又与瓦斯的排放和压力的分布有着重要的联系。因此，煤层瓦斯渗透率或煤层透气系数的测算方法研究是瓦斯渗流力学发展之关键技术，也是煤矿安全工作者研究煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸等一系列矿山安全问题的关键入手点；研究煤层瓦斯运移的基本规律，对于完善瓦斯流动理论和防治瓦斯灾害有着重要的意义。

煤储层是一套由天然裂隙和基质孔隙组成的双重结构模型，裂隙系统为煤层气渗流运移的通道，储层渗透率除受自身裂隙发育特征控制外，地质构造、地应力状态、瓦斯压力、地温、煤基质的收缩作用、煤层埋深、煤体结构及电场等都不同程度地影响着煤层渗透率，渗透率的演化是上述诸多因素综合作用的结果。

在国外，早在20世纪70、80年代就有学者借助相关渗流实验设备取得了一些研究成果：W.J.Sommerton等研究了应力对煤体渗透性的影响；C.R.McKee等开展了应力与煤体孔隙度和渗透率之间关系的研究；Harpalani研究得到了应力对煤解吸渗流的影响规律；J.R.E.Enever和A.Henning研究得到了煤体有效应力对渗透率的影响规律。此外，大冢一雄、樋口澄志、P.G.塞文斯特、霍多特等也在这方面做了不同程度的工作。

在国内，早期是在常温常压下测定松散煤粒的扩散系数和小型块煤样(2cm左右)的渗透率，随后发展为在假三轴或真三轴围限压力作用下测定煤样渗透率随应力的变化，得到加载和卸载的渗透率拟合方程。20世纪80年代，中国矿业大学的周世宁和林柏泉较早地利用自制的煤样瓦斯渗透实验装置研究了含瓦斯煤体在围压力不变的前提下，孔隙压力和渗透率以及孔隙压力和煤样变形间的关系，同时还研究了在孔隙压力一定的条件下，渗透率和围压力以及煤样变形间的关系，得出了在围压力不变的前提下，孔隙压力和渗透率以及煤样变形值间的关系基本上服从指数方程；在孔隙压力不变条件下，加载时，煤体的渗透率与载荷间的关系可用负指数方程表示，而卸载时，可用幂函数方程表示，进入90年代，彭担任等又研制了STCY-80型煤与岩石渗透率测定仪，对煤系地层各种岩性试样的渗透率进行了研究。

20世纪90年代以来，重庆大学鲜学福教授领导的学术团队利用自制的渗流装置，先后对煤样在不同应力状态下、不同电场下、不同温度下及变形过程中的渗透率进行了研究，得出了煤样渗透率与有效应力、温度和电场强度等之间的关系。1996年，山西矿业学院(现太原理工大学)赵阳升等研制了“煤岩渗透试验机”与“三轴应力渗透仪”，进行了三维应力作用下煤体瓦斯渗透规律的实验研究，得出了煤体瓦斯渗透系数随体积应力增加而衰减，随孔隙压呈抛物线型变化的结论。2001年，中国科学院渗流流体力学研究所刘建军等利用自制实验设备以低渗透多孔介质为研究对象，通过实验得出孔隙度、渗透率随有效压力变化曲线，其研究表明，流体在低渗透多孔介质中渗流时，流固耦合效应十分显著，这是因为低渗透多孔介质的孔隙很小，而孔隙度的微小变化，都会对渗透率产生大的影响，因此低渗透介质的渗透率随有效应力的变化十分明显。2006年，辽宁工程技术大学潘一山等自制了三轴瓦斯渗透仪，通过先加载后卸载、连续进行煤层气解吸渗流试验，模拟了煤层气在复杂地应力条件下的赋存和运移开采过程，得到了有效应力与煤层气解吸和渗流特性间的关系。2008年，煤炭科学研究总院重庆研究院隆清明等自行研制“瓦斯渗透仪”，进行了孔隙气压对煤体渗透性影响的实验研究，阐述了可控孔隙气压下煤渗透性实验的方法与过程，研究表明，煤的渗透率随孔隙气压增大而减小的特性是由孔隙气压变化引起滑脱效应和孔隙结构本身变化所致。同年，煤炭科学研究总院齐庆新等又利用一种夹持装置，通过试验研究了不同尺度煤样在围压加、卸载条件下的渗透率变化，对试验结果进行非线性拟合分析，得出煤样的渗透率与围压之间存在负指数关系，煤样渗透率对围压敏感性存在着尺度效应。